果蔬分階段組合干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

秦軍偉，李成華，宮元娟

1(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽，110866)2(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽，110159)

果蔬分階段組合干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

秦軍偉1，李成華2，宮元娟1

1(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽，110866)2(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽，110159)

文中主要介紹了熱風(fēng)、熱泵、微波、真空冷凍相組合和干燥技術(shù)在果蔬干制中的研究現(xiàn)狀，并提出組合干燥技術(shù)需解決的問題。

果蔬，組合干燥，熱風(fēng)干燥，熱泵干燥，微波干燥，冷凍干燥

目前，果蔬干燥技術(shù)主要有熱風(fēng)干燥、微波干燥、真空干燥、微波真空干燥、冷凍干燥、熱泵干燥和滲透脫水等幾種方式。不同干燥方式都有其優(yōu)勢(shì)和不足。除了改進(jìn)現(xiàn)有干燥設(shè)備、開發(fā)干燥新技術(shù)以外，組合干燥技術(shù)也是解決這一問題的有效途徑。

1 組合干燥技術(shù)

果蔬中的水以游離水、膠體結(jié)合水和化學(xué)結(jié)合水3種狀態(tài)存在。大部分游離水和膠體結(jié)合水在干燥過程中被除去，化學(xué)結(jié)合水一般不能用干燥的方法除去。組合干燥技術(shù)是根據(jù)物料特性，將2種或2種以上的干燥方式組合起來，利用其優(yōu)點(diǎn)，在不同干燥階段采用不同的干燥方法，分別以蒸發(fā)或升華等方式除去物料中大部分游離水和膠體結(jié)合水的干燥技術(shù)［1］。

根據(jù)組合的時(shí)間段，組合干燥可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式2種。串聯(lián)式組合干燥又稱分階段組合干燥，其特征是在不同的時(shí)間段中組合不同的干燥技術(shù)，如熱風(fēng)-微波和微波-熱風(fēng)組合干燥技術(shù)就是分階段組合干燥的典型方式;而并聯(lián)式組合干燥又稱同階段組合干燥，其特征是在相同的時(shí)間段中組合不同的干燥技術(shù)［2］，如微波真空干燥即是微波干燥和真空干燥技術(shù)的組合形式，既可提高干燥效率，又能保證干燥品質(zhì)。

國(guó)外學(xué)者側(cè)重于同階段組合干燥技術(shù)的研究和應(yīng)用，但采用的干燥設(shè)備多需專門研制，如 Abbasi Souraki等采用改裝的微波-流化床、微波-熱風(fēng)等組合干燥設(shè)備對(duì)大蒜、橙子等進(jìn)行研究［3－5］。而國(guó)內(nèi)學(xué)者則側(cè)重于分階段組合干燥技術(shù)的探索，即采用常用干燥設(shè)備進(jìn)行組合搭配，如熱風(fēng)與真空、熱風(fēng)與微波的組合，主要研究組合干燥的工藝順序、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率及最佳工藝參數(shù)。

2 果蔬分階段組合干燥技術(shù)的研究

2.1 熱風(fēng)相關(guān)的分階段組合干燥技術(shù)

熱風(fēng)干燥技術(shù)被廣泛用于加工傳統(tǒng)的干燥食品［6］，我國(guó)90%的蔬菜脫水采用常壓熱風(fēng)干燥。但是，在熱風(fēng)干燥的降速階段，熱能利用率低，干燥時(shí)間長(zhǎng);而高溫干燥下，產(chǎn)品的顏色、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和風(fēng)味等品質(zhì)變差［7］。根據(jù)熱風(fēng)干燥的特點(diǎn)，可考慮與微波、微波真空、冷凍等干燥技術(shù)配合使用。

馬先英等對(duì)胡蘿卜片進(jìn)行了熱風(fēng)-微波組合干燥研究，分析熱風(fēng)溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、微波功率對(duì)組合干燥速率和產(chǎn)品感官品質(zhì)的影響。研究表明，當(dāng)熱風(fēng)溫度為65℃、轉(zhuǎn)換點(diǎn)的含水率為60%、微波輸出功率為170 W時(shí)，組合干燥速率比熱風(fēng)干燥速率提高1.4倍以上，干燥時(shí)間縮短了38 min，且干制品的色澤、香味、形狀和表面硬度都有較大的改善［8］。張麗華等對(duì)木瓜片的熱風(fēng)-微波組合干燥進(jìn)行了研究，考察工藝參數(shù)對(duì)干燥速率、總黃酮含量和色澤的影響。結(jié)果表明，熱風(fēng)70℃ +微波功率210W的組合干燥工藝的干燥速率是熱風(fēng)干燥的6倍左右，而干燥時(shí)間僅為熱風(fēng)干燥的50%;組合干燥木瓜片干制品的總黃酮含量最高，達(dá)1.98%;但組合干燥的木瓜片色澤不如70℃熱風(fēng)干燥的效果［9］。楊大偉等采用熱風(fēng)-微波組合干燥方法加工黃花菜，研究表明，采用先微波后熱風(fēng)的組合干燥方法，雖能縮短干燥時(shí)間，但干制品質(zhì)量較差;而采用先高溫?zé)犸L(fēng)后低功率微波的組合干燥方法，既可縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量［10］。

胡慶國(guó)等分別以毛豆、甘藍(lán)為原料，進(jìn)行熱風(fēng)-真空微波組合干燥的研究，考察熱風(fēng)干燥溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、微波功率和真空度對(duì)干燥特性的影響。研究表明，組合干燥毛豆和甘藍(lán)所需時(shí)間遠(yuǎn)低于熱風(fēng)干燥，干制品中葉綠素等成分的保留率均高于熱風(fēng)干燥;但徐艷陽的研究未能解決葉(根)菜類產(chǎn)品易出現(xiàn)氣泡、焦邊及微波加熱分布不均等工藝問題［11－13］。

Adam Figiel以甜菜根為對(duì)象，先以熱風(fēng)干燥進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行真空-微波干燥，并與冷凍干燥結(jié)果進(jìn)行比較。研究表明，與熱風(fēng)干燥比較，熱風(fēng)-真空-微波組合干燥明顯縮短干燥總時(shí)間，降低干制品的收縮率;組合干燥制品還能獲得較好的復(fù)水性、較高的抗氧化性，這與冷凍干燥效果相近［14］。

2.2 熱泵相關(guān)的分階段組合干燥技術(shù)

熱泵干燥是近期發(fā)展的一項(xiàng)能效顯著而又切實(shí)可行的新技術(shù)［15］，已應(yīng)用于木材干燥、蔬菜脫水以及生物制品干燥等領(lǐng)域［16］。因?yàn)椴捎玫蜏馗稍?40～50℃)，其干燥效率低，易導(dǎo)致微生物超標(biāo)，特別是干燥后期的能耗較高，從而制約了它的推廣應(yīng)用。而與熱風(fēng)、遠(yuǎn)紅外等其他干燥技術(shù)結(jié)合，在保證干制品質(zhì)量的同時(shí)，可提高后期干燥的效率，降低能耗。

張緒坤以胡蘿卜為原料，對(duì)熱泵-熱風(fēng)組合干燥與單一的熱泵干燥和熱風(fēng)干燥進(jìn)行比較。研究表明，當(dāng)采用熱泵干燥溫度35℃、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率1.36kg/kg、熱風(fēng)干燥溫度65℃的干燥工藝時(shí)，組合干燥時(shí)間比熱泵干燥縮短3.5h，產(chǎn)品復(fù)水性比熱泵干燥高16.6%、比熱風(fēng)干燥高24.5%，耗能只有隧道式干燥的74.1%、網(wǎng)帶式干燥的84.7%和真空冷凍干燥的9.4%［17］。徐建國(guó)的研究表明，采用熱泵-熱風(fēng)組合干燥胡蘿卜片，既能顯著縮短熱泵干燥時(shí)間，又能最大程度地降低了熱風(fēng)干燥對(duì)物料有效成分的熱破壞，提高了產(chǎn)品品質(zhì)［18］。

徐剛等對(duì)胡蘿卜片進(jìn)行了先熱泵后遠(yuǎn)紅外的組合干燥研究，考察漂燙時(shí)間、熱泵干燥溫度和遠(yuǎn)紅外輻射功率對(duì)含水率的影響，確定最佳參數(shù)分別為120s、45℃和2kW;并根據(jù)干燥速率、能耗、類胡蘿卜素保存率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定最佳轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為50%，此時(shí)的干燥時(shí)間短、干燥能耗低、類胡蘿卜素?fù)p失少［19］。顧震的研究也證實(shí)，對(duì)胡蘿卜片采用熱泵-遠(yuǎn)紅外的組合干燥方法，既能提高干燥速率、降低能耗，又能保證干制品的品質(zhì)［20］。

成剛在甘藍(lán)菜熱泵干燥單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定聯(lián)合干燥方式為先熱泵干燥后熱風(fēng)干燥。以熱泵干燥溫度、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、熱風(fēng)干燥溫度為因素，以單位能耗除濕量SMER和葉綠素含量為指標(biāo)，通過響應(yīng)面優(yōu)化分析，確定聯(lián)合干燥最佳工藝參數(shù):熱泵干燥溫度57.2℃、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率 26.4%、熱風(fēng)干燥溫度54.5℃。研究表明，熱泵-熱風(fēng)組合干燥甘藍(lán)制品的葉綠素含量高于熱泵干燥，Vc含量和復(fù)水比高于熱風(fēng)干燥，SMER比熱風(fēng)干燥降低了40.67%［21］。

2.3 冷凍相關(guān)的分階段組合干燥技術(shù)

凍干過程中，由于不存在液態(tài)水，且低溫干燥，所以變質(zhì)現(xiàn)象和微生物反應(yīng)被抑制［22］，凍干制品的揮發(fā)性、熱敏性和芳香成分損失小，營(yíng)養(yǎng)成分保留率高，外觀品質(zhì)高;但是，凍干過程能耗高、時(shí)間長(zhǎng)，制約了凍干技術(shù)的應(yīng)用。將冷凍干燥與熱風(fēng)、熱泵、微波等其它干燥技術(shù)相結(jié)合，在提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)時(shí)降耗的要求。

李瑞杰對(duì)蘋果片進(jìn)行了冷凍-微波真空組合干燥的研究。通過實(shí)驗(yàn)分析冷凍干燥和微波真空干燥對(duì)蘋果片干燥過程的含水率、能耗、Vc保留率及感官品質(zhì)的影響，確定最佳組合工藝參數(shù)為:冷凍干燥的真空度10～100 Pa、物料裝載量250 g、加熱板溫度55℃，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率22.0%，微波真空干燥的真空度20.4 kPa、微波功率346.3 W，此時(shí)的干燥能耗低、Vc保留率高、感官品質(zhì)高［23］。

宋蕓對(duì)胡蘿卜片采用微波真空-冷凍干燥組合干燥進(jìn)行研究，考察工藝參數(shù)對(duì)干制品的色澤、收縮變形、營(yíng)養(yǎng)成分、復(fù)水性、質(zhì)構(gòu)等的影響，確定最佳工藝參數(shù):微波真空干燥的真空度為30～45 kPa、微波功率密度為0.82 W/g、胡蘿卜片厚度為8 mm，當(dāng)水分損失40%時(shí)，采用冷凍干燥，加熱板初始溫度為－15℃，12h后升溫至5℃，3 h后升溫至15℃，l h后溫升至30℃至干燥終點(diǎn)。研究表明，經(jīng)組合干燥后，胡蘿卜片的色澤、營(yíng)養(yǎng)成分保留率、復(fù)水性接近冷凍干燥效果，且能耗比冷凍干燥降低56%;雖有收縮變形，但仍可保持較好的外形［24］。

徐艷陽等對(duì)草莓和毛竹筍進(jìn)行了冷凍-熱風(fēng)組合干燥實(shí)驗(yàn)，確定最佳轉(zhuǎn)化點(diǎn)含水率和干燥工藝。研究發(fā)現(xiàn)，組合干燥的果蔬品質(zhì)和外觀接近于冷凍干燥，而明顯優(yōu)于熱風(fēng)干燥;與冷凍干燥相比，在組合干燥最佳轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)，能耗費(fèi)用分別降低了32%和21%左右;對(duì)組合干燥后的草莓研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)切面的芯部有褐變現(xiàn)象，有待進(jìn)一步研究［25－26］。

2.4 滲透脫水相關(guān)的分階段組合干燥技術(shù)

滲透脫水是指在一定溫度下，將果蔬浸入高滲透壓的溶液(糖溶液或鹽溶液)中，利用細(xì)胞膜的半滲透性使果蔬中的水分轉(zhuǎn)移到溶液中，達(dá)到除去部分水分的一種技術(shù)。近年來，由于對(duì)能量的需求相對(duì)較低，滲透脫水技術(shù)受到密切關(guān)注，目前已應(yīng)用于食品原料的部分脫水工藝中，特別是可以作為其他干燥方法的前期處理工藝［27］，暫時(shí)不能獨(dú)立干燥果蔬，只能與微波或熱風(fēng)干燥等其他技術(shù)結(jié)合使用。

龐韻華以蘋果片為研究對(duì)象，前期采用滲透脫水技術(shù)，考察滲透液的成分和溫度及滲透時(shí)間對(duì)失水率、固形物增加率和復(fù)水率的影響，當(dāng)滲透時(shí)間為100 min、滲透溫度為42℃、滲透液組成為25%麥芽糖+45%蔗糖時(shí)，可脫除20%的水分。后期采用微波真空+熱風(fēng)的組合方式進(jìn)行后期干燥，當(dāng)微波功率為314 W、真空度為3.0～4.5 kPa，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為40%、熱風(fēng)干燥溫度為60℃時(shí)，干燥后蘋果片的色澤、營(yíng)養(yǎng)成分保留和復(fù)水性比較接近真空冷凍干燥效果，干燥制品的收縮變形和脆性比真空冷凍干燥產(chǎn)品變化大，但仍比微波真空干燥的產(chǎn)品好［28］。

程璐以滲透脫水最佳工藝條件下的萵筍片為原料，分別進(jìn)行后期的熱風(fēng)干燥和微波干燥試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，滲透-熱風(fēng)組合干燥與熱風(fēng)干燥相比，Vc保存率提高了7～10倍，水分活度降低了10%以上，復(fù)原率提高了2～3倍，但在60℃熱風(fēng)溫度時(shí)組合干燥要比熱風(fēng)干燥時(shí)間長(zhǎng)2～3 h;滲透-微波組合干燥與微波干燥相比，干燥時(shí)間縮短約50%，而與滲透－熱風(fēng)組合干燥相比，滲透-微波組合干燥的時(shí)間短，色澤、品質(zhì)優(yōu)良［29］。

FreHdeHric Prothon等分別以蘋果、西紅柿和蘑菇為對(duì)象，前期進(jìn)行滲透脫水預(yù)處理，后期采用微波-熱風(fēng)干燥，研究組合干燥對(duì)產(chǎn)品干燥時(shí)間及品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，采用滲透脫水預(yù)處理，可縮短干燥時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，如復(fù)水性、收縮率、質(zhì)地和微觀結(jié)構(gòu)等都有明顯改善［30－32］。

3 展望

3.1 分階段組合干燥工藝和最佳轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的研究

由于果蔬的種類和組織結(jié)構(gòu)差別較大，某種組合干燥方式和工藝參數(shù)并不適合所有果蔬的干燥。所以，應(yīng)針對(duì)具體果蔬，研究合理的組合干燥方式和工藝條件，實(shí)現(xiàn)低能耗和高品質(zhì)的果蔬干燥要求。

轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率是組合干燥工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，其對(duì)干燥過程中的干燥時(shí)間、能耗、營(yíng)養(yǎng)成分保留率及外觀品質(zhì)等產(chǎn)生重要影響。但是，目前主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定法來確定轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率，而缺乏必要的理論支持。所以轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的研究將是組合干燥研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

3.2 分階段組合干燥過程數(shù)學(xué)模型的完善

干燥過程的傳熱傳質(zhì)理論是建立在分子動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)上的，建立合理的數(shù)學(xué)模型對(duì)研究組合干燥機(jī)理、干燥過程優(yōu)化和自動(dòng)控制具有非常重要的意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者也已利用各種方法，建立了一些較好的組合干燥數(shù)學(xué)模型，但是其通用性較差，只適合于某一種果蔬，而且與實(shí)際干燥過程的擬合程度并不理想。因此，完善組合干燥的數(shù)學(xué)模型，提高其通用性，對(duì)于預(yù)測(cè)和指導(dǎo)組合干燥工藝及提高產(chǎn)品質(zhì)量是十分必要的。

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Research Situation and Analysis on Multistage Combined of Drying Technologies for Fruits and Vegetables

Qin Jun-wei1，Li Cheng-hua2，Gong Yuan-juan1
1(College of Engineering，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China)2(School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

At present，fruits and vegetables are dried by single-stage drying technologies.However，problems of the energy consumption and the product quality during the drying process are not resolved effectively.Multistage combined drying technologies solved this problem.The research situation of combined drying technologies，including hot air drying，heat pump drying，microwave drying and the vacuum freeze drying used in fruits and vegetables drying are introduced.

fruits and vegetables，combined drying，hot air drying，heat pump drying，microwave drying，freeze drying

碩士，講師(E-mail:qinjunwei 2010@163.com)。

2010－09－13